呼吸机相关膈肌功能障碍的主要发病机制

机械通气是重症患者呼吸支持的重要手段，但机械通气同时可引起膈肌肌纤维结构改变和收缩力的降低^[1]，称为呼吸机相关膈肌功能障碍（VIDD）。VIDD是导致重症患者难以撤离呼吸机的重要原因之一，可引起患者机械通气时间延长，增加呼吸机相关性肺炎等并发症。最终导致患者住院时间延长、住院费用增加及病死率增加。VIDD的发病机制众多，现对目前VIDD发生主要机制的研究进展综述如下。

一、机械通气导致膈肌线粒体损伤及过氧化物产生增加

机械通气时膈肌受到被动牵拉或活动减少，可引起线粒体促裂变蛋白增加及活化，导致膈肌线粒体破碎^[2]。Picard等^[2]在机械通气引起膈肌功能损伤的动物实验中，利用电子显微镜观察到膈肌线粒体断裂破碎。另外，膈肌活动减少时，膈肌细胞能量需求减少，能量代谢底物供应相对过多，可促进线粒体过氧化物产生增加^[3]。线粒体破碎及过氧化物产生增加，可导致线粒体出现损伤伴随功能障碍，具体表现为：（1）线粒体呼吸链细胞色素C氧化酶的特异性缺陷，引起线粒体呼吸链功能障碍；（2）线粒体的生物合成和抗氧化因子表达的减少；（3）线粒体基因组的损伤^[4]。同时，线粒体损伤可诱导自身发生代偿性形态重塑，出现线粒体融合、分裂并与邻近细胞器相互作用，以补偿线粒体形状变化导致的线粒体功能丧失^[2]。但这种代偿是部分代偿，难以纠正已经出现的线粒体的损伤及功能障碍。最终，线粒体损伤情况下出现有害物质如过氧化物^[3]、乳酸^[5]等的蓄积，影响膈肌正常的收缩功能^[6,7]，从而导致VIDD发生。

二、机械通气下膈肌氧化应激增加

机械通气可能通过多个信号通路，导致膈肌氧化应激的增加。对控制性机械通气的大鼠^[8]及机械通气的患者^[9]进行膈肌组织病理检查，均可发现碳基化蛋白质、蛋白质合成后修饰及细胞内脂质蓄积的明显增加，提示膈肌中氧化应激的增加。机械通气下膈肌的氧化应激增加，可能由转录因子Smad3介导通路和酪氨酸激酶/信号传导与转录激活子（JAK/STAT）通路激活介导。在机械通气的小鼠膈肌内可观察到Smad3磷酸化水平增加及膈肌内氧化应激、线粒体活性氧的增加；抑制Smad3磷酸化，可抑制膈肌蛋白氧化及蛋白水解过程^[10]。提示Smad3介导通路可能是机械通气下膈肌氧化应激增加的上游通路。另外，在机械通气大鼠和人的膈肌中，可观察到JAK/STAT信号通路被激活，抑制该信号通路同样可显著防止氧化应激及膈肌蛋白水解过程^[11,12]，提示JAK/STAT信号通路可能是机械通气下膈肌氧化应激增加的另一条通路。

机械通气下膈肌的氧化应激导致VIDD的机制包括：（1）膈肌氧化应激，可激活多种蛋白水解途径，包括膈肌钙蛋白酶、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3（caspase-3）、溶酶体途径^[8,13,14]及泛素-蛋白酶体途径（UPP）^[15]，从而激活蛋白水解。（2）膈肌氧化应激及过氧化物产生，可增加膈肌内收缩蛋白及结构蛋白的氧化修饰，修饰后膈肌蛋白对蛋白水解酶，特别是对于钙蛋白酶和caspase-3的敏感性更高^[14]，从而使得膈肌蛋白更易于降解。（3）膈肌的氧化应激可促进膈肌细胞过度自噬^[9,14]，使膈肌细胞的数量进一步减少。（4）膈肌氧化应激可引起内质网/肌浆网上的钙通道受体即兰尼定受体-1（RyR1）结构发生重塑及功能障碍，从而引起胞内钙离子平衡受到破坏^[16]。机械通气下膈肌的氧化应激可通过上述的作用，最终引起膈肌蛋白水解及收缩能力减弱，导致VIDD的发生。

三、膈肌蛋白水解增加

机械通气下膈肌蛋白水解的主要途径包括下述三种，即：钙蛋白酶水解途径、caspase-3和UPP^[17]。

1．钙蛋白酶的激活：

膈肌钙蛋白酶的激活可促进膈肌蛋白的降解，同时抑制膈肌蛋白的合成。一方面，膈肌钙蛋白酶的激活可促进膈肌蛋白的水解。Smith等^[18]发现，大鼠肌肉内钙蛋白酶的激活，可导致膈肌内蛋白酶体介导的肌丝和Z盘的连接蛋白及总蛋白的降解增加；而在含有钙蛋白酶抑制剂的对照溶液中，肌肉蛋白质的降解明显减低。针对控制性机械通气大鼠的多项研究证实，应用钙蛋白酶抑制剂可抑制膈肌内钙蛋白酶的激活，进而观察到膈肌肌球蛋白丢失减少，蛋白水解产物产生减少及总蛋白量的上升^[19,20]。提示膈肌钙蛋白酶的激活可促进膈肌蛋白水解。此外，Smith等^[18]的大鼠实验发现，肌肉钙蛋白酶激活增加可导致蛋白质合成通路丝氨酸/苏氨酸激酶（Akt）-雷帕霉素靶蛋白（mTOR）-糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）活性下降，从而影响肌肉内蛋白质合成。实验中利用Ca²⁺孵育肌肉导致钙蛋白酶激活，可发现Akt磷酸化减少，mTOR磷酸化水平降低，GSK-3β磷酸化减少，而钙蛋白酶抑制剂则阻止该通路物质磷酸化水平的降低，证实钙蛋白酶的激活可抑制Akt-mTOR-GSK-3β通路^[18]。鉴于Akt-mTOR-GSK-3β信号通路在蛋白质合成中的重要作用，钙蛋白酶对该通路的抑制，可最终导致蛋白质的合成障碍。

2．caspase-3激活：

机械通气时caspase-3激活，可能通过与钙蛋白酶相互激活、促进膈肌肌原纤维与晶格解离、膈肌双链DNA损伤和肌内细胞核的丢失等作用影响膈肌功能。在机械通气的小鼠、大鼠和人的实验模型中，均可观察到caspase-3被激活^[9,21]。Agten等^[22]在机械通气的大鼠中，应用硼替佐米降低膈肌内caspase-3的活性，可观察到膈肌收缩力的改善。提示caspase-3的激活可促进VIDD的发生。caspase-3的激活促进VIDD的发生具体原因可能为：一方面，钙蛋白酶和caspase-3活化存在相互激活作用；Nelson等^[17]在机械通气的大鼠实验中，单独抑制钙蛋白酶或caspase-3均可阻止机械通气诱导的膈肌萎缩，抑制钙蛋白酶可阻止机械通气诱导的膈肌caspase-3活化，抑制caspase-3可阻止膈肌钙蛋白酶的活化。另一方面，Tang等^[9]通过对机械通气患者膈肌的活检标本研究发现，caspase-3的激活除了可促进膈肌肌原纤维与晶格的解离，也可引起膈肌双链DNA核酸酶的活化，导致双链DNA的损伤和肌内细胞核的丢失。在上述作用下，膈肌纤维的质和量都受到影响，最终出现收缩无力。

3．UPP：

UPP参与了VIDD的发生但作用十分有限。在机械通气后小鼠^[23]及患者^[24,25]的膈肌标本中，均可发现泛素连接酶的显著上调，提示机械通气时生物体内泛素蛋白酶体的激活。而Hooijman等^[24]敲除泛素连接酶靶向基因可减缓蛋白水解及防止膈肌萎缩无力的发生。

泛素-蛋白酶体自身不能降解膈肌内完整蛋白，需要钙蛋白酶和caspase-3^[9]参与裂解，使肌动蛋白和肌球蛋白从肌节中释放并形成多肽片段，为UPP提供水解底物^[18,22]。Smith等^[18]对大鼠钙蛋白酶激活，可观察到胞质泛素结合蛋白的含量增加，揭示了钙蛋白酶可促进UPP蛋白水解过程。Smuder等^[26]在机械通气的大鼠实验中，应用高度特异的UPP抑制剂环氧霉素抑制UPP途径，可部分减轻机械通气引起的膈肌收缩力的下降，却不能阻止机械通气诱导的膈肌萎缩，提示UPP在VIDD发生中的作用有限。

四、膈肌自噬

机械通气患者膈肌自噬增加。Azuelos等^[27]通过小鼠研究发现，机械通气下膈肌自噬增加。Mankowski等^[28]对心胸外科老年手术患者进行术中膈肌电刺激，发现患者术后膈肌功能改善；进一步取膈肌活检，结果显示膈肌自噬标志物水平增高，提示膈肌自噬水平的上调。低水平的自噬对于维持膈肌的正常功能起着重要作用。自噬可通过清除功能失调的蛋白质和细胞器^[14,15]，包括受损的线粒体，减少线粒体活性氧的产生^[27]，从而在膈肌细胞稳态中起到关键作用。然而，过度自噬可诱导膈肌细胞凋亡及膈肌蛋白水解^[27]，导致膈肌萎缩^[15]。Smuder等^[14]在机械通气小鼠中发现，机械通气可导致自噬增加，利用变异形式的自噬相关蛋白抑制自噬小体形成从而抑制自噬，可减少膈肌的氧化损伤和蛋白水解，从而预防小鼠膈肌的萎缩和收缩功能障碍。自噬在VIDD中所起的作用，依然需要更多的实验验证。

五、RyR1的重塑

机械通气期间，膈肌RyR1重塑，导致膈肌肌浆网Ca²+漏出至胞质，引起VIDD发生。RyR1为位于肌纤维肌浆网上的钙离子释放通道，介导钙库释放钙离子。正常情况下，RyR1的激活可引起钙的协调释放，导致肌肉的收缩^[29]。而对小鼠和仔猪进行机械通气时，可观察到显著的RyR1重塑，包括RyR1大分子氧化、巯基-亚硝基化和丝氨酸磷酸化、亚单位的解离^[16,30]。这种膈肌RyR1重塑，可导致膈肌肌浆网Ca²⁺漏出，引起膈肌收缩能力下降，并进一步引起钙蛋白酶和caspase-3的激活，激活膈肌蛋白水解途径^[31]，导致膈肌纤维萎缩^[30,32]。Matecki等^[16]在机械通气的小鼠中，应用RyR1稳定药物减少RyR1介导的Ca²⁺外漏，可改善膈肌收缩力。但是，Talbert等^[33]在机械通气大鼠中，通过药物阿珠莫林阻断RyR1并阻断肌质网中Ca²⁺的释放，却无法影响线粒体过氧化物的增加及钙蛋白酶和caspase-3的激活，也无法阻止机械通气诱导的膈肌无力。提示RyR1的重塑，并非VIDD发生的主要机制。RyR1的重塑与VIDD的关系仍需进一步研究证实。

综上所述，VIDD的发生涉及的机制众多，包括如膈肌线粒体损伤、膈肌氧化应激、膈肌蛋白水解途径激活、膈肌自噬增加、肌浆网RyR1重塑等。各种机制之间相互促进相互影响。这些研究推进了对VIDD机制的深入理解，为提出切实可行的方法来预防和治疗VIDD奠定了基础。未来需要针对特定的机制，尤其是关键机制进行靶点治疗，以期保护机械通气患者的膈肌功能，减少VIDD的发生。

何远超, 刘玲. 呼吸机相关膈肌功能障碍的主要发病机制 [J] . 中华医学杂志,2019,99 (46): 3671-3674. DOI: 10.3760/cma.j.issn.0376-2491.2019.46.017